[논문]조류발전용 터빈 주위의 유동 특성에 관한 연구

김부기; 양창조

doi:10.7837/kosomes.2012.18.6.610

[국내논문] 조류발전용 터빈 주위의 유동 특성에 관한 연구
A Study on the Flow Characteristics around Tidal Current Turbine 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.18 no.6 = no.53, 2012년, pp.610 - 616

김부기 (목포해양대학교 실습선) , 양창조 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

초록
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세계는 지금 본격적인 에너지 기후시대로 도래했으며 녹색성장을 이끌 강력한 에너지 정책이 선진국가 진입의 초석으로 신재생에너지를 활용하여 미래의 에너지 자원으로 동력화하는 것이 21세기 에너지 수요를 충족시키는 개발 목표가 되고 있다. 최근 신재생에너지 개발의 필요성에 따라 해양에너지가 주목을 받고 있다. 해양에너지는 아직 개발되지 않은 가장 유망한 재생 및 청정에너지 자원 중 하나이다. 이에 따라 각 해역에 적합한 조류에너지 변환장치의 개발이 매우 필요하다. 본 연구에서는 조류발전용 터빈에 작용하는 유입각, 해저면 효과 및 공동현상 발생에 따른 효율의 변화를 후류유동특성을 통해 파악하였다. 계산 조건하에서 해저면 효과에 의한 효율저하는 크게 나타나지 않았고, 유입각은 10도 이상부터 효율 저하가 나타났고 45도에서는 출력계수가 7 % 낮게 계산되었다. 유입속도가 증가할수록 토크와 출력계수가 증가하였으나, 공동현상이 발생하는 3 m/s이상부터 오히려 출력저하가 나타났다. 또한 유동특성의 고찰을 통해 유입각이 크고 공동현상이 나타날수록 출력감소의 원인이 됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

All the countries in the world is currently facing the full scale of energy-climate era currently, and making strong energy policy that will lead to green growth of the future energy resources by utilizing renewable energy as the basis of entering the advanced country becomes the goal of development that satisfies the demand for energy in 21st century. Recently, ocean energy attracted the attention along with the necessity of developing renewable energy. Ocean energy is the one of most prominent recyclable and clean resources that has not been developed yet. So, it is highly required to develop good tidal current energy conversion system in coastal area. The inflow angle that acts against tidal current turbine, seabed effect and the change of efficiency along the occurrence of cavitation were investigated through the wake flow characteristics in this study. Power coefficient degradation by seabed effect did not appear in the condition of this calculation. Efficiency degradation appeared from above $10^{\circ}$ regarding inflow angle and power coefficient was calculated as lower by 7 % at $45^{\circ}$. Torque and power coefficient increased as inflow velocity rose, but power coefficient degradation appeared from above 3m/s when the cavitation happened. So, it was recognized that the larger inflow angle and occurrence of cavitation become the reason for power degradation through the flow characteristics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

해저면에 설치되는 조류발전용 로터에 작용하는 조류의 흐름도 이러한 영향을 받을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 5와 같이 해저면의 효과가 조류발전용 로터에 미치는 영향을 파악하기 위해 수치해석을 수행하였다. 해저에서 허브중심까지의 수심은 블레이드 직경의 3D, 전방 3D와 후방 7.
이와 같이 조류발전용 터빈에 대하여 유입각의 영향과 해저면의 영향, 특히 공동현상에 관한 연구는 매우 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 날개요소 운동량 이론으로 최적 설계한 블레이드를 이용하여 조류발전용 터빈 주위의 유동 특성을 파악하여 출력감소가 작은 최적 설치환경의 조건을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 유입각과 공동현상 등이 조류발전용 블레이드에 미치는 요소로 실해역에 설치될 조류발전시스템은 해저상태, 수심, 도서 등의 형태에 따라 이상적인 수평흐름을 방해하므로 이들의 조건이 터빈에서 발생되는 토크와 출력계수에 미치는 영향을 연구하기 위해 유효받음각을 0°~ 60°까지 10°또는 15°간격으로 유입각의 변화를 주어 출력계수를 계산하였다.
조류발전용 터빈 후류의 유동특성을 파악하고자 해저면 효과, 유효받음각의 변화 및 공동현상이 발생하는 경우 그에 따른 출력특성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

격자의 생성은 블레이드에서 발생하는 토크의 정확한 예측을 위해 블레이드내·외부로 구성하였으며 두 영역의 경계면은 피라미드 격자로 처리하였다.
경계조건으로 입구, 상부와 하부까지의 거리는 로터 블레이드 직경의 3D, 출구는 7.5D로 설정하였다. 본 해석에 사용된 난류모델은 블레이드 주위에 발달하는 2차 유동에 대해 비교적 정확한 예측이 가능하고 회전체에 수렴성이 좋은 SST 모델을 적용하였고, Table 1에 격자정보를 나타내었다.
공동현상의 가시화를 높이기 위해 물성치를 Water vapour at 25 ℃와 Water at 25 ℃로 설정 및 표준기압 조건을 설정하고 난류모델은 회전체 해석에 있어서 표준이 되는 SST 모델로 설정하여 계산을 수행하였다(ANZINE, 2012).
또한, 고속의 유체 흐름이 존재하는 선박의 프로펠러, 펌프의 임펠러, 터빈의 날개 등에서 공동현상이 많이 나타나므로, 조류발전용 터빈 블레이드에서는 어떠한 조건에서 발생되고 그에 따른 효율저하의 정도를 계산해 보았다. 계산에 사용된 컴퓨터는 5대를 병렬로 구성하였으며 20Core CFX 클러스터 시스템으로 CPU 모델은 INTELx64bit, Q9400-2.
최근 전산해석 기술의 발달로 다양한 물리적 변수를 포함한 유체기계의 수치해석 연구가 활발히 진행중이다. 본 연구에서는 상용코드인 ANSYS CFX V-11.0을 이용하여 터빈을 대상으로 유동해석을 수행하였다. 격자의 생성은 블레이드에서 발생하는 토크의 정확한 예측을 위해 블레이드내·외부로 구성하였으며 두 영역의 경계면은 피라미드 격자로 처리하였다.
5D로 설정하였다. 본 해석에 사용된 난류모델은 블레이드 주위에 발달하는 2차 유동에 대해 비교적 정확한 예측이 가능하고 회전체에 수렴성이 좋은 SST 모델을 적용하였고, Table 1에 격자정보를 나타내었다.
조류발전시스템은 선박의 항해 등 해수면을 이용하기에 용이하도록 해저에 설치하는 경우가 많다. 이러한 경우 해저면의 형태에 따라 유향과 유량에 영향을 미칠 수 있는 해저면 효과가 나타나므로 해저면 효과에 따른 터빈의 성능을 분석하였다.
공동현상의 발생은 액체의 압력이 포화증기압보다 낮아진 영역에서 증기로 상변화를 일으키는 과정에서 나타난다. 조류발전용 터빈의 경우 비교적 낮은 해수온도와 회전수, 수중의 수압이 존재하는 경우 공동현상을 고려하지 않지만 실해역 저수심 소형고속화 등을 고려하여 공동현상 발생영역 및 유동현상이 터빈의 성능에 미치는 영향을 평가하였다.

대상 데이터

블레이드 팁 부분에 프리즘 격자를 집중시켜 주변의 테트라 격자와 밸런스를 유지하였으며, 전체 계산격자 108만 노드 중 약 94%를 로터 블레이드 주위에 구성하였다. 격자계는 테트라-헤드라, 트라이앵글, 펜타곤, 쿼드, 피라미드이고 전체 엘리먼트 수는 약 400만개이다.
밀도는 1,024 kg/㎥, 상부와 옆면은 자유흐름이다. 난류모델은 SST이며, 난류강도는 5 %이다.

성능/효과

3에서는 조류의 방향과 해저면의 형상 등에 따라 조류발전용 로터 블레이드에 유입되는 조류 흐름의 수직성분을 속도분포로 나타내었다. 유입각이 0˚인 (a)와 비교해서 (b), (c)와 같이 유향각이 커질수록 유효 흐름이 감소하고 터빈 후방의 유속이 급격히 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 유입각의 영향은 조류발전기의 성능과 밀접한 관계가 있으므로 유입부 덕트의 취부나 능동적인 조향장치를 설치하여 유효흐름의 감소를 최소화할 필요가 있다.
1. 본 계산 조건하에서 해저면 효과는 조류발전용 터빈의 전체적인 출력저하에는 크게 영향을 미치지 않고, 유입각이 커질수록 효율 저하가 점차 나타나다가 TSR 5.5 기준, 45도에서는 출력계수가 7 % 낮게 나타났다.
2. 유입속도 증가시 토크와 출력계수가 증가하였으나, 공동현상 조건의 3 m/s이상부터 오히려 로터에 걸리는 토크가 낮게 나타났고, 4 m/s 이후부터는 공동현상 발생하면서 출력계수도 급격히 낮아지는 것으로 나타났다.
1인 지점에서의 Iso-surface를 나타내었다. 3 m/s 이하의 낮은 유 속에서는 Vapour 생성이 거의 나타나지 않았으나 TSR이 증가할수록 블레이드 끝단을 중심으로 Vapour 생성이 다소 증가되고 있음을 확인할 수 있다.
3. 일정한 유속에서 해저면 효과가 나타나고 공동현상이 발생할수록 특히, 유입각이 클수록 출력계수가 더 크게 감소하는 것으로 확인되었다.
12에서는 공동현상 조건을 설정한 상태에서 유 속별 출력계수를 나타내었다. Fig. 11에서 보여진 유속별로 비례적 증가하는 것과는 다르게 유속이 증가할수록 출력계수는 감소하는 결과를 보였고 특히, 3 m/s 이상에서 부터는 출력계수가 현저히 낮아지는 대조적인 것으로 나타났다. 이는 공동현상에 의한 출력저하로 평가된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광이나 풍력발전, 조력발전에 비해 조류발전은 어떠한 장점이 있는가?	태양광이나 풍력발전과 달리 조류발전은 날씨의 변화에 관계없이 지속적이고 발전량 예측이 가능하다는 장점이 있 으며, 조력발전에 비하여 대규모 방조제를 건설하지 않기 때문에 친환경적이고 해저에 설치할 경우 선박의 운항이 자유롭다. 그러나 조류발전은 바다 속에 터빈을 설치하여 조류의 운동에너지를 이용하여 발전시키는 원리이므로 지역적인 제한과 에너지 변환기술의 한계가 있다.
	조류발전용 터빈과 선박용 프로펠러의 작동원리는 무엇이고, 작동 중 후류의 유속과 유관의 반경은 어떻게 변화하는가?	선박용 프로펠러는 엔진동력이 프로펠러에 전달되어 유체를 가속시킴으로서 추력을 발생시킨다. 이때 후류의 유속은 가속되고 유관의 반경은 감소된다. 그러나 조류발전용 터빈의 경우 조류로부터 전달된 에너지가 터빈을 회전시키는데 소비되므로 후류의 유속은 감소되나 유관의 반경은 증가하게 된다. 따라서 조류발전용 터빈과 선박용 프로펠러를 통과한 유체의 흐름은 Fig.
	조류발전이 가진 한계점은 무엇인가?	태양광이나 풍력발전과 달리 조류발전은 날씨의 변화에 관계없이 지속적이고 발전량 예측이 가능하다는 장점이 있 으며, 조력발전에 비하여 대규모 방조제를 건설하지 않기 때문에 친환경적이고 해저에 설치할 경우 선박의 운항이 자유롭다. 그러나 조류발전은 바다 속에 터빈을 설치하여 조류의 운동에너지를 이용하여 발전시키는 원리이므로 지역적인 제한과 에너지 변환기술의 한계가 있다. 특히, 수위 차에 따른 블레이드에서 발생되는 캐비테이션 발생영역 및 유동현상이 터빈성능에 미치는 영향에 관한 연구에서 “수 위가 낮을수록 날개 끝과 전연에서 캐비테이션이 더 발생 되어 출력과 효율이 7 % 감소한다” 고 발표하였다(Nam et al.

참고문헌 (9)

ANZINE(2012), ANSYS Workbench R14.0 Design Exploration, ANSYS FLUENT R14.0 Update - Reacting Channel Model, A Study on the Analysis of Propeller cavitation using FLUENT Mixture Model, Vol. 21, pp. 41-45.
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Lee, S. Y. and C. J. Yang(2011), A Study on Characteristics of a Vertical Axis Tidal Turbine, Journal of the Korean Fluid Machinery Association, pp. 15-16.
Nam, S. H., J. M. Kim, Y. T. Kim, Y. D. Choi and Y. H. Lee(2008), Cavitation Characteristics for Variable Water Level of Horizontal-Axis Tidal Current Generation, Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 387-390.
Tony B., S. David, J. Nick and B. Ervin(2010), Wind Energy Handbook, John Wiley and Sons Ltd., p. 43.
Yang, C. J.(2011), Optimal Rotor Blade Design for Tidal In-Stream Energy, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 17, No. 1, pp. 75-82.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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